本实用新型属于燃料电池供气系统系统技术领域，具体涉及一种基于涡轮增压的燃料电池供气系统。
背景技术：
燃料电池发动机由电堆、氢气系统、空气系统以及辅助系统组成。空气系统向电堆提供具有一定压力和湿度的空气，氢气系统向电堆提供具有一定压力和湿度的氢气。
空气系统一般使用空压机将空气升压到需要的压力，空压机由燃料电池发动机中的电能驱动，消耗的功率占燃料电池输出功率的12％-30％，对发动机的整体效率有很大影响；并且，氢气系统中的氢气源可提供绝对压力高达30-50mpa的氢气，由氢气管路中的多级减压装置将压力降低至2bar左右的绝对压力，而后提供至电堆，过程中浪费了大量的能量。
技术实现要素：
针对现有技术中的不足，本实用新型的目的是提供一种基于涡轮增压的燃料电池供气系统，解决了氢气由高压氢气源到电堆的减压过程中的能量损失问题以及空压机功耗问题。
本实用新型所采用的技术方案是：一种基于涡轮增压的燃料电池供气系统，其包括氢气供给单元、空气供给单元、公共连接轴、燃料电池电堆和控制器；所述控制器分别与氢气供给单元、空气供给单元和公共连接轴通讯连接，所述氢气供给单元和空气供给单元分别与燃料电池电堆管路连接，所述氢气供给单元与空气供给单元通过公共连接轴机械连接；
所述氢气供给单元包括涡轮机，所述空气供给单元包括压气机，所述涡轮机与压气机通过公共连接轴相连。
优选地，所述氢气供给单元进一步包括高压储氢容器、氢气三通电磁阀、第一氢气压力传感器、第一单向阀、氢气减压阀、氢气流量调节阀、第二单向阀和第二氢气压力传感器；所述高压储氢容器的氢气出口通过氢气三通电磁阀后一路接于涡轮机的氢气进口，另一路接于氢气减压阀的进气口，所述涡轮机的氢气出口经由第一单向阀后接于氢气减压阀的进气口，所述氢气减压阀的出气口接于氢气流量调节阀的进气口，所述流量调节阀的出气口经由第二单向阀后接于燃料电池电堆的氢气进口，所述第一氢气压力传感器设置在涡轮机与第一单向阀之间的氢气管路上，所述第二氢气压力传感器设置在第二单向阀与燃料电池电堆氢气进口之间的氢气管路上。
优选地，所述空气供给单元包括空气过滤器、第一空气三通电磁阀、第一空气压力传感器、第二空气三通电磁阀、空压机、中冷器、增湿器和第二空气压力传感器；所述空气过滤器的空气出口通过第一空气三通电磁阀后一路接于压气机的空气进口，另一路接于空压机的空气进口，所述压气机的空气出口通过第二空气三通电磁阀后一路接于空压机的空气进口，另一路与空压机的空气出口共同接于中冷器的进气口，所述中冷器的出气口接于增湿器的进气口，所述增湿器的出气口接于燃料电池电堆的空气进口，所述第一空气压力传感器设置在压气机与第一空气三通电磁阀之间的空气管路上，所述第二空气压力传感器设置在增湿器与燃料电池电堆空气进口之间的空气管路上。
优选地，所述公共连接轴为带有齿轮可变速功能的机械传动装置，其包括变速控制器。
优选地，所述控制器用于接收氢气供给单元的氢气管路上的氢气压力信号和空气供给单元的空气管路上的空气压力信号，并向所述氢气三通电磁阀、第一空气三通电磁阀和第二空气三通电磁阀发送开通方向的指令，向所述氢气减压阀和氢气流量调节阀发送开度指令以控制氢气管路上的压力，向所述公共连接轴和所述空压机发送开关指令并调节二者的转速以控制空气管路上的压力。
优选地，所述控制器通过低压信号线分别与第一氢气压力传感器、第二氢气压力传感器、第一空气压力传感器和第二空气压力传感器连接，接收压力传感器的压力信号；通过低压开关控制线分别与氢气三通电磁阀、第一空气三通电磁阀及第二空气三通电磁阀连接，向其发送开通方向的指令；通过低压控制线分别与氢气减压阀和氢气流量调节阀连接以控制二者的开度；通过低压控制线与公共连接轴的变速控制器连接以控制公共连接轴的转速；通过低压开关控制线与空压机连接，向其发送开关指令并通过pwm控制机制向空压机发送脉宽调制信号以调控空压机电机的转速。
与现有技术相比，本实用新型通过在燃料电池的氢气供给单元和空气供给单元中分别加装涡轮机和压气机，利用燃料电池发动机所配置的氢气源提供的高压氢气驱动涡轮机做功，将高压氢气的动能和压力势能转化成机械能后通过公共连接轴传递给压气机，从而对空气管路中的空气进行预增压进而减少空压机的功率需求，有效提高了燃料电池发动机的整体功率输出效率。
附图说明
图1为本实用新型实施例1提供的一种基于涡轮增压的燃料电池供气系统的结构示意图。
图2为本实用新型实施例2提供的一种基于涡轮增压的燃料电池供气系统的控制流程图。
具体实施方式
下面参考附图进一步描述本实用新型的实施方式，本实用新型的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但实施方式仅是范例性的，并不对本实用新型的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本实用新型的精神和范围下可以对本实用新型技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本实用新型的保护范围内。
另外，为了更好的说明本实用新型，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本实用新型同样可以实施。在另外一些实施例中，对于大家熟知的方法、流程、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本实用新型的主旨。
本实用新型实施例提供一种基于涡轮增压的燃料电池供气系统，如图1所示，其包括氢气供给单元1、空气供给单元2、公共连接轴3、燃料电池电堆4和控制器5；控制器5分别与氢气供给单元1、空气供给单元2和公共连接轴3通讯连接，氢气供给单元1和空气供给单元2分别与燃料电池电堆4管路连接，氢气供给单元1与空气供给单元2通过公共连接轴3机械连接；
氢气供给单元1包括涡轮机13，空气供给单元2包括压气机23，涡轮机13与压气机23通过公共连接轴3相连；
这样，采用上述结构，氢气供给单元1为燃料电池电堆4提供一定压力的氢气，并且，涡轮机13将高压氢气的动能和压力势能转化为机械能，并经由公共连接轴3传递给空气供给单元2的压气机23；
空气供给单元2为燃料电池电堆4提供一定压力及湿度的空气，压气机23将公共连接轴3传递过来的机械能转化为空气的动能和压力势能从而实现空气的一级增压。
氢气供给单元1进一步包括高压储氢容器11、氢气三通电磁阀12、第一氢气压力传感器14、第一单向阀15、氢气减压阀16、氢气流量调节阀17、第二单向阀18和第二氢气压力传感器19；高压储氢容器11的氢气出口通过氢气三通电磁阀12后一路接于涡轮机13的氢气进口，另一路接于氢气减压阀16的进气口，涡轮机13的氢气出口经由第一单向阀15后接于氢气减压阀16的进气口，氢气减压阀16的出气口接于氢气流量调节阀17的进气口，流量调节阀17的出气口经由第二单向阀18后接于燃料电池电堆1的氢气进口，第一氢气压力传感器14设置在涡轮机13与第一单向阀15之间的氢气管路上，第二氢气压力传感器19设置在第二单向阀18与燃料电池电堆4氢气进口之间的氢气管路上；
空气供给单元2进一步包括空气过滤器21、第一空气三通电磁阀22、第一空气压力传感器24、第二空气三通电磁阀25、空压机26、中冷器27、增湿器28和第二空气压力传感器29；空气过滤器21的空气出口通过第一空气三通电磁阀22后一路接于压气机23的空气进口，另一路接于空压机26的空气进口，压气机23的空气出口通过第二空气三通电磁阀25后一路接于空压机26的空气进口，另一路与空压机26的空气出口共同接于中冷器27的进气口，中冷器27的出气口接于增湿器28的进气口，增湿器28的出气口接于燃料电池电堆1的空气进口，第一空气压力传感器24设置在压气机23与第一空气三通电磁阀25之间的空气管路上，第二空气压力传感器29设置在增湿器28与燃料电池电堆4空气进口之间的空气管路上；
氢气供给单元1的涡轮机13与空气供给单元2的压气机23通过公共连接轴3相连。
优选的，公共连接轴3为带有齿轮可变速功能的机械传动装置，其包括变速控制器。
上述方案中，控制器5用于接收氢气供给单元1的氢气管路上不同位置的氢气压力信号和空气供给单元2的空气管路上不同位置的空气压力信号，向氢气供给单元1中的氢气三通电磁阀12以及空气供给单元2中的第一空气三通电磁阀22和第二空气三通电磁阀25发送开通方向的指令，向氢气供给单元1的氢气减压阀16和氢气流量调节阀17发送开度指令以控制氢气管路上的压力，向公共连接轴3和空气供给单元2中的空压机26发送开关指令并调节二者的转速以控制空气管路上的压力。
上述方案中，氢气供给单元1的高压储氢容器11的出气口与氢气三通电磁阀12的进气口通过管道连接，氢气三通电磁阀12的第一出气口与涡轮机13的进气口通过管道连接，氢气三通电磁阀12的第二出气口与氢气减压阀16的进气口通过管道连接，涡轮机13的出气口与第一单向阀15的进气口通过管道连接，第一单向阀15的出气口通过管道与氢气减压阀16的进气口通过管道连接，氢气减压阀16的出气口与氢气流量调节阀17的进气口通过管道连接，氢气流量调节阀17的出气口与第二单向阀18的进气口通过管道连接，第二单向阀18的出气口通过管道接于燃料电池电堆4的氢气进口，从而形成燃料电池电堆4的氢气供给管路。
上述方案中，空气供给单元2的空气过滤器21的出气口与第一空气三通电磁阀22的进气口通过管道连接，第一空气三通电磁阀22的第一出气口与压气机23的进气口通过管道连接，第一空气三通电磁阀22的第二出气口通过管道接于空压机26的进气口，压气机23的出气口与第二空气三通电磁阀25的进气口通过管道连接，第二空气三通电磁阀25的第一出气口通过管道接于空压机26的进气口，第二空气三通电磁阀25的第二出气口通过管道接于中冷器27的进气口，空压机26的出气口与中冷器27的进气口通过管道连接，中冷器27的出气口与增湿器28的进气口通过管道连接，增湿器28的出气口通过管道接于燃料电池电堆4的空气进口，从而形成燃料电池电堆4的空气供给管路。
具体地，控制器5通过低压信号线分别与氢气供给单元1的第一氢气压力传感器14、第二氢气压力传感器19以及空气供给单元2的第一空气压力传感器24和第二空气压力传感器29连接，接收压力传感器的压力信号；通过低压开关控制线分别与氢气供给单元1的氢气三通电磁阀12和空气供给单元2的第一空气三通电磁阀22及第二空气三通电磁阀25连接，向其发送开通方向的指令；通过低压控制线分别与氢气供给单元1的氢气减压阀16和氢气流量调节阀17连接以控制二者的开度；通过低压控制线与公共连接轴3的变速控制器连接以控制公共连接轴3的转速；通过低压开关控制线与空气供给单元2的空压机26连接，向其发送开关指令并通过pwm控制机制向空压机26发送脉宽调制信号以调控空压机电机的转速。
本实施例提供的一种基于涡轮增压的燃料电池供气系统的控制过程，如图2所示，具体包括如下步骤：
s1，控制器5计算燃料电池电堆4的氢气入口处需要的氢气压力阈值ph0，同时开启氢气供给单元1；
s2，读取氢气供给单元1的当前氢气压力值ph1，根据氢气压力阈值ph0与当前氢气压力值ph1的大小关系控制氢气供给单元1的工作状态；具体为：
s21，判断ph1－ph0＞δph是否成立，若成立，则进入s22，反之进入s23；
s22，通过减小氢气供给单元1的当前压力值ph1，使ph1＝ph0 δph；具体为：保持氢气三通电磁阀12的第一阀门处于开启状态，通过调整氢气减压阀16和氢气流量调节阀17的开度使ph1＝ph0 δph，同时进入s3；其中，氢气三通电磁阀12的第一阀门为连接氢气三通电磁阀12和涡轮机13进气管道的阀门；
控制器5保持氢气供给单元1中氢气三通电磁阀12的第一阀门处于开启状态，使高压储氢容器11中的高压氢气进入涡轮机13并对其做功，从而将高压氢气的动能和压力势能转化为具有一定扭矩的机械能并通过公共连接轴3传递给空气供给单元2的压气机23，然后通过调整氢气减压阀16和氢气流量调节阀17的开度使ph1＝ph0 δph；
s23，通过增大氢气供给单元1的当前压力值ph1，使ph1＝ph0 δph；具体为：开启氢气三通电磁阀12的第二阀门，通过调整氢气减压阀16和氢气流量调节阀17的开度使ph1＝ph0 δph；
同时进入s24，开启第一空气三通电磁阀的第二阀门和空压机，关闭第二空气三通电磁阀，通过调节空压机的转速使第二空气压力传感器的检测值和空气压力阈值pa0相等；其中，空气压力阈值pa0为控制器计算的所述燃料电池电堆的空气入口处需要的空气压力阈值，之后返回s21继续判断ph1－ph0＞δph是否成立；其中，氢气三通电磁阀12的第二阀门为连接氢气三通电磁阀12和氢气减压阀16进气管道的阀门；
控制器5开启氢气供给单元1中氢气三通电磁阀12的第二阀门，使高压储氢容器11中的氢气直接通过氢气减压阀16和氢气流量调节阀17进入燃料电池电堆4，并通过调整氢气减压阀16和氢气流量调节阀17的开度使ph1＝ph0 δph；
其中，δph为涡轮机的氢气出口与燃料电池电堆氢气入口之间氢气管路上的最小压降值；
s3，控制器计算燃料电池电堆4的空气入口处需要的空气压力阈值pa0，同时开启空气供给单元2；
具体地，控制器5开启空气供给单元2中第一空气三通电磁阀22的第一阀门，使环境空气通过空气过滤器21后进入压气机23并将压气机通过公共连接轴3所传递过来的氢气供给单元1中涡轮机13产生的机械能转化为空气的动能和压力势能从而实现空气的一级增压；然后控制器5根据燃料电池功率输出需求计算出燃料电池电堆4空气入口处需要的空气压力阈值pa0；
s4，读取空气供给单元2的当前空气压力值pa1，根据空气压力阈值pa0与当前空气压力值pa1的大小关系控制空气供给单元2的工作状态；具体为：
s41，判断pa1－pa0＞δpa是否成立，若成立，则进入s42，反之进入s43；
s42，通过减小空气供给单元2的当前压力值pa1，使pa1＝pa0 δpa；具体为：开启第二空气三通电磁阀25的第二阀门并通过调节公共连接轴3的转速使pa1＝pa0 δpa；其中，第二空气三通电磁阀25的第二阀门为连接第二空气三通电磁阀25和中冷器27进气管道的阀门；
控制器5开启第二空气三通电磁阀25的第二阀门，并通过调节公共连接轴3的转速使第二空气压力传感器29检测到的压力值(pa1)满足：pa1＝pa0 δpa；
s43，通过增大空气供给单元2的当前压力值pa1，使pa1＝pa0 δpa；具体为：开启第二空气三通电磁阀25的第一阀门和空压机，对空气进行增压并通过调节空压机26的转速使pa1＝pa0 δpa；其中，第二空气三通电磁阀25的第一阀门为连接第二空气三通电磁阀25和空压机26进气管道的阀门；
控制器5分别开启第二空气三通电磁阀25的第一阀门和空压机26，开始对空气进行二级增压并通过调节空压机26的转速使第二空气压力传感器29检测到的压力值(pa1)满足：pa1＝pa0 δpa；
其中，δpa为压气机的空气出口通过空压机至燃料电池电堆空气入口之间空气管路上的最小压降值。
本实施例的基于涡轮增压的燃料电池供气系统有两种工作模式，分别为涡轮增压模式和正常供气模式：
在涡轮增压模式下，控制器5开启氢气供给单元1中氢气三通电磁阀12的第一阀门使氢气的输送路径为：高压储氢容器11→氢气三通电磁阀12→涡轮机13→第一氢气压力传感器14→第一单向阀15→氢气减压阀16→氢气流量调节阀17→第二单向阀18→第二氢气压力传感器19→燃料电池电堆4，从而构成符合燃料电池功率输出气体压力要求的氢气供给通路；同时控制器5开启空气供给单元2的第一空气三通电磁阀22的第一阀门，如果此时燃料电池电堆4功率输出较小或处于怠速状态对空气压力要求较小则开启第二空气三通电磁阀25的第二阀门使空气的输送路径为：空气过滤器21→第一空气三通电磁阀22→压气机23→第一空气压力传感器24→第二空气三通电磁阀25→中冷器27→增湿器28→第二空气压力传感器29→燃料电池电堆4，如果此时燃料电池电堆4功率输出较大则开启第二空气三通电磁阀25的第一阀门和空压机26使空气的输送路径为：空气过滤器21→第一空气三通电磁阀22→压气机23→第一空气压力传感器24→第二空气三通电磁阀25→空压机26→中冷器27→增湿器28→第二空气压力传感器29→燃料电池电堆4，从而构成符合燃料电池功率输出气体压力要求的空气供给通路；
在此过程中，高压氢气在流经涡轮机13时对其做功从而将自身的动能和压力势能转化成机械能并通过公共连接轴3传递给压气机23，同时压气机23则在公共连接轴3的驱动下对进入到压气机内的空气做功从而将所接收到的机械能转化为空气的动能和压力势能以实现对空气流的一级增压，如此则降低了空压机26对空气流二级增压的功率需求进而提升了整个燃料电池发动机的功率输出效率。
在正常供气模式下，控制器5开启氢气供给单元1中氢气三通电磁阀12的第二阀门使氢气的输送路径为：高压储氢容器11→氢气三通电磁阀12→氢气减压阀16→氢气流量调节阀17→第二单向阀18→第二氢气压力传感器19→燃料电池电堆4；同时控制器5开启空气供给单元2的第一空气三通电磁阀22的第二阀门和空压机26而使第二空气三通电磁阀25处于关闭状态使空气的输送路径为：空气过滤器21→第一空气三通电磁阀22→空压机26→中冷器27→增湿器28→第二空气压力传感器29→燃料电池电堆4；
控制器5通过调整氢气减压阀16和氢气流量调节阀17的开度以为燃料电池电堆4的功率输出提供符合压力要求的氢气，同时通过pwm控制机制向空压机26发送脉宽调制信号来调控空压机电机的转速以为燃料电池电堆4的功率输出提供符合压力要求的空气。
在上述过程中，氢气三通电磁阀12的第一阀门为连接氢气三通电磁阀12和涡轮机13进气管道的阀门，氢气三通电磁阀12的第二阀门为连接氢气三通电磁阀12和氢气减压阀管道16进气管道的阀门；第二空气三通电磁阀25的第二阀门为连接第二空气三通电磁阀25和中冷器27进气管道的阀门，第二空气三通电磁阀25的第一阀门为连接第二空气三通电磁阀25和空压机26进气管道的阀门。
本实施例通过在燃料电池的氢气供给单元和空气供给单元中分别加装涡轮机和压气机，利用燃料电池发动机所配置的氢气源提供的高压氢气驱动涡轮机做功，将高压氢气的动能和压力势能转化成机械能后通过公共连接轴传递给压气机，从而对空气管路中的空气进行预增压进而减少空压机的功率需求，有效提高了燃料电池发动机的整体功率输出效率。
以上，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
1.一种基于涡轮增压的燃料电池供气系统，其特征在于，其包括氢气供给单元、空气供给单元、公共连接轴、燃料电池电堆和控制器；所述控制器分别与氢气供给单元、空气供给单元和公共连接轴通讯连接，所述氢气供给单元和空气供给单元分别与燃料电池电堆管路连接，所述氢气供给单元与空气供给单元通过公共连接轴机械连接；
所述氢气供给单元包括涡轮机，所述空气供给单元包括压气机，所述涡轮机与压气机通过公共连接轴相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于涡轮增压的燃料电池供气系统，其特征在于，所述氢气供给单元进一步包括高压储氢容器、氢气三通电磁阀、第一氢气压力传感器、第一单向阀、氢气减压阀、氢气流量调节阀、第二单向阀和第二氢气压力传感器；所述高压储氢容器的氢气出口通过氢气三通电磁阀后一路接于涡轮机的氢气进口，另一路接于氢气减压阀的进气口，所述涡轮机的氢气出口经由第一单向阀后接于氢气减压阀的进气口，所述氢气减压阀的出气口接于氢气流量调节阀的进气口，所述流量调节阀的出气口经由第二单向阀后接于燃料电池电堆的氢气进口，所述第一氢气压力传感器设置在涡轮机与第一单向阀之间的氢气管路上，所述第二氢气压力传感器设置在第二单向阀与燃料电池电堆氢气进口之间的氢气管路上。
3.根据权利要求2所述的一种基于涡轮增压的燃料电池供气系统，其特征在于，所述空气供给单元包括空气过滤器、第一空气三通电磁阀、第一空气压力传感器、第二空气三通电磁阀、空压机、中冷器、增湿器和第二空气压力传感器；所述空气过滤器的空气出口通过第一空气三通电磁阀后一路接于压气机的空气进口，另一路接于空压机的空气进口，所述压气机的空气出口通过第二空气三通电磁阀后一路接于空压机的空气进口，另一路与空压机的空气出口共同接于中冷器的进气口，所述中冷器的出气口接于增湿器的进气口，所述增湿器的出气口接于燃料电池电堆的空气进口，所述第一空气压力传感器设置在压气机与第一空气三通电磁阀之间的空气管路上，所述第二空气压力传感器设置在增湿器与燃料电池电堆空气进口之间的空气管路上。
4.根据权利要求3所述的一种基于涡轮增压的燃料电池供气系统，其特征在于，所述公共连接轴为带有齿轮可变速功能的机械传动装置，其包括变速控制器。
5.根据权利要求4所述的一种基于涡轮增压的燃料电池供气系统，其特征在于，所述控制器用于接收氢气供给单元的氢气管路上的氢气压力信号和空气供给单元的空气管路上的空气压力信号，并向所述氢气三通电磁阀、第一空气三通电磁阀和第二空气三通电磁阀发送开通方向的指令，向所述氢气减压阀和氢气流量调节阀发送开度指令以控制氢气管路上的压力，向所述公共连接轴和所述空压机发送开关指令并调节二者的转速以控制空气管路上的压力。
6.根据权利要求5所述的一种基于涡轮增压的燃料电池供气系统，其特征在于，所述控制器通过低压信号线分别与第一氢气压力传感器、第二氢气压力传感器、第一空气压力传感器和第二空气压力传感器连接，接收压力传感器的压力信号；通过低压开关控制线分别与氢气三通电磁阀、第一空气三通电磁阀及第二空气三通电磁阀连接，向其发送开通方向的指令；通过低压控制线分别与氢气减压阀和氢气流量调节阀连接以控制二者的开度；通过低压控制线与公共连接轴的变速控制器连接以控制公共连接轴的转速；通过低压开关控制线与空压机连接，向其发送开关指令并通过pwm控制机制向空压机发送脉宽调制信号以调控空压机电机的转速。
技术总结